植物根际促生菌提高植物耐盐性的研究进展

邢起铭，金文杰，周利斌，李文建，刘瑞媛，马建忠

（1中国科学院近代物理研究所生物物理室，兰州 730000；2兰州理工大学生命科学与工程学院，兰州 730000）

0 引言

土壤盐渍化是制约世界农业发展的主要环境问题之一。全世界约有9.5×108hm2盐渍土地[1]，且每年以1.0×106～1.5×106hm2的速度增长[2]，尤其是废水污染、灌溉不当、滥施化肥等原因造成的次生盐渍化日趋严重，伴生的土壤沙化和荒漠化等生态问题也日益突出。中国盐渍化土壤总面积约3.6×107 hm2，盐渍化土壤占全国可利用土地面积的4.88%[3]，主要分布在东北、西北、华北内陆以及沿海地区[4]。面对中国人口基数大，人均能源少的资源国情，改良和利用盐渍化土壤对开发中国耕地资源以及保障粮食安全生产具有重要的意义[5]。虽然一些植物在盐渍化土壤环境下有一定的产量，但是多数植物为甜土植物，很难在高盐、高pH以及营养匮乏的盐渍化土壤生长。

植物根际促生菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR)是指通过其自身生命活动作用直接或间接促进植物生长的土壤微生物。它不仅局限于提高植物营养元素的供应，产生各种植物需要的植物激素，诱导植物对逆境的抗性，促进植物对营养元素的吸收，还可以拮抗某些病原微生物，减轻病虫危害从而促进植物增产[6]。早在20世纪90年代，德国科学家Lorenz Hiltner就已提出豆科植物与根际细菌特有的共生关系，植物根际微生物多而活跃，根据其对植物的作用，根际细菌分为有益(2%～5%)，有害(8%～15%)和中性(80%～90%)3类[7]。然而早期对植物的研究主要集中在植物对营养的吸收和抑制有害菌(DRMO)方面，因此对于植物根际促生菌的利用和研究并未受到过多的关注。2015年中央1号文件做出了中国农业发展“转方式、调结构”的战略部署，2016年以来，国家陆续出台了一系列促进农业可持续发展的政策，农业农村部也提出了中国农业要实现“农药化肥双减”的目标[8]。应用PGPR蕴藏的巨大应用潜力已得到社会广泛认可，利用PGPR研发复合菌肥已取得突飞猛进的成果。鉴于此，本研究总结了近年来PGPR对植物促生功能的探索、植物抗逆等方面应用的研究进展，以期为进一步研究和应用根际促生菌提供科学依据。

1 盐胁迫环境对植物的影响

盐胁迫对植物的生长发育具有多方面的影响，受损程度与盐胁迫持续时间呈正相关。过量的盐离子引发离子胁迫、渗透胁迫等初级胁迫对植物造成伤害，其离子胁迫主要包括离子过量和离子亏缺，而渗透胁迫则是由于典型的环境渗透势不平衡对植物细胞造成的损伤，盐胁迫对细胞造成的次级影响较为复杂，包括氧化胁迫、破坏膜脂、光合作用减弱、营养失衡等问题，并进一步引起代谢紊乱[9]。各种胁迫信号彼此交叉，构成复杂的胁迫网络，引起植物在基因表达、代谢和生理性状等多方面的特异性反应。

1.1 盐胁迫环境对植物生长的影响

高浓度的盐离子会对植物体内叶绿体和线粒体的电子传递(ETC)产生严重的影响，抑制光合作用，造成活性氧(ROS)的积累。过量的活性氧会对植物体内的DNA、蛋白质、脂质以及其他重要的细胞组分造成氧化损伤，抑制植物的生长[10]。为应对盐胁迫，植物开始产生不同类型的抗氧化剂，以减轻氧化应激，如过氧化氢酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶(GR)等抗氧化物酶共同组成有效的活性氧清除系统。

高浓度的盐离子会促进植物体内乙烯的合成[11]。乙烯广泛存在于植物体内，通常小于1.0 μL/L。低浓度的乙烯可以诱导种子萌发，植物根系生长，植物茎叶的形成。但是随着乙烯浓度的增加，促使植物叶片变黄、器官衰老、叶片和花瓣脱落甚至植物过早死亡[12]。

高浓度的盐离子会破坏植物细胞的膜结构，细胞膜作为包围在细胞表面，维护细胞内平衡稳定，参与同外界物质交换、信息传递、能量吸收最频繁的屏障，衡量其膜脂过氧化的终产物丙二醛(MDA)含量是判断植物盐胁迫损伤程度的一个主要指标之一[4]。

1.2 盐胁迫环境对植物产量的影响

盐渍化土壤的特点是土壤水势低，土壤水分蒸发量大，土地升温缓慢。较低的土地温度使得土壤中的酶活性降低，有机质转化效率和微生物代谢活动减弱，导致土壤肥力差，土壤养分利用率降低、紧实易板结、结构透气性差，不利于植物生长[13]。中高浓度的Na+离子和Ca2+离子会导致细胞质膜通透性和选择透过性改变，破坏植物内部的离子平衡进而引发离子毒害。研究表明，土壤中高浓度的Na+会干扰植株正常的生命活动，影响根系对K+及其他必需元素的吸收、阻碍光合作用、造成生理干旱并引发氧化胁迫等次生胁迫，进而导致植株生长受到抑制[14]。在这种情况下，植物无法专心积累和转化自身有机物质，反而会消耗大量的能量来调节平衡，很大程度上限制了植物的产量。

2 盐胁迫环境对土壤微生物的影响

土壤中微生物数量的多少是对土壤生态条件的综合反映。盐渍化环境土壤中有机质含量低，土壤结构差，土壤溶液浓度高，微生物缺乏赖以生存的物质基础和环境条件，故而土壤微生物普遍数量少，活性低[15]。研究表明，在盐碱土壤微生物，细菌、放线菌和真菌三大类群中，细菌占绝对优势，放线菌次之，真菌最少[5]。土壤微生物多数对植物有益或无害，能使植物致病的多为真菌，如链霉菌、腐霉菌等，而对植物有益的称植物促生菌[6]。植物促生菌生活在土壤或附着于植物体根系，与植物互利共生，既能对植物施加外源激素促进植物生长发育、提高植物抗逆境能力，又能从植物那里获取必要的营养成分和能量物质。经过长时间的协同进化，植物根际促生菌已经成为植物内生态系统的重要组成部分[8]。常见的盐胁迫环境植物根际促生菌如表1所示。

表1 盐胁迫下植物根际促生菌的常见种属

3 植物根际促生菌的促生长机理

广义上的植物根际促生菌是指土壤微生物通过其自身生命活动作用溶解土壤中的营养元素使得植物吸收增产，但目前关于植物根际促生菌的研究不仅局限于提高植物对营养元素的吸收，还包括直接或间接产生植物所需要的激素，如吲哚-3-乙酸(IAA)、赤霉素、细胞分裂素等，促进植物根和茎的生长[16]。分泌一些挥发性有机化合物，如酮、醛、醇、增强植物风味的芳香化合物等，保护植物免受或减轻虫害，抑制病原微生物的生长[17]。研究发现，当植物受限于盐碱、干旱等非生物胁迫，它们会分泌渗透调节物质、增加抗氧化酶活性来减缓盐害损伤[18]。而植物根际促生菌进一步强化植株根系发育、叶片生长、气孔开闭、渗透调节和抗氧化保护系统来提高植物的抗盐胁迫能力（图1）。

图1 植物根际促生菌的促生机理

3.1 PGPR促进植物营养吸收

3.1.1 溶磷功能 磷素是植物生命活动所需要的大量元素之一。中国大多数农田土壤磷素含量较为丰富，但其中95%以上与土壤中的Fe3+，Ca2+，Al3+等结合而丧失其有效性[19]。促生菌通过其自身生命活动作用，可以将土壤中植物难以吸收的磷转化为植物可以吸收利用的形态，从而增加土壤中磷对植物的供应[6]。目前已报道的溶磷菌包括鞘氨醇单胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)、草 酸 青 霉 (Penicillium oxalicum)、恶臭假单胞菌(Pseudomonasputida)等[20-22]。Kucey等[23]研究表明，真菌的解磷能力一般是细菌的10倍，许多细菌在进一步的纯化中失去解磷能力，而真菌则始终保持其解磷活力。

3.1.2 解钾功能 长期以来，人们“重氮、轻磷、少钾”的不合理施肥措施，使得钾素成为制约中国南方植物产量和品质提高的主要因素。中国是一个钾肥匮乏的国家，钾肥的生产远远不能满足农业生产的需要，所以，寻求钾肥高效利用措施和替代技术，对于保证中国农业生产安全具有重要意义[24]。王琦琦等[25]在木碱蓬根际土壤中筛到6株具有多种促生活性的菌株，在50 mmol/L NaCl胁迫下能较为显著地促进拟南芥的生长，促进其发芽，增加其生物量。张晶晶等[26]从新疆核桃根际土壤中筛选到10株解钾能力较强的菌株，分属假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、微杆菌属(Microbacterium)，解钾效果较好，K+质量浓度均在24 μg/mL以上。合理配比施用溶磷菌和解钾菌可以有效提高植物对营养的吸收，促进植物的生长发育[27]。

3.1.3 生物固氮功能 大部分植物根际促生菌能产生固氮酶，可在一定程度上固定空气中的氮素，固氮产物氨可以直接为共生体提供氮源[6]。自1966年Doberener等[28]在巴哈雀稗(Paspalumnotatum)中首次发现有较强功能的帕斯帕利固氮菌(Azotobacterpaspali)以来，人们对这类非豆科植物与根系联合的特殊固氮菌展开了广泛研究。目前已知的固氮菌分为共生固氮菌属和非共生固氮菌属。赵世超[23]从长叶红砂、珍珠中还筛选到耐盐碱性强的非共生固氮菌株，分属节杆菌属(Arthrobacter)和单纯芽孢杆菌属(Bacillus simplex)。宋丽茹[29]从碱斑地(pH 10.48)中筛选到链霉菌属(streptomyces)既可以产生纤维素酶又可以固定游离得氮元素。Yang等[30]发现，通过调节细菌类群的丰度和活性可以促进氮转化菌的生长，促进氮转化进程从加速氮的积累。

3.1.4 PGPR分泌铁载体 铁是所有生命体必须的生长因子，铁元素参与植物包括呼吸、光合作用、细胞壁结构完整、抗旱抗寒等一系列生命活动。尽管地球表面矿物含铁丰富，但是土壤中能直接利用的铁却不多[6]。土壤中的铁主要以三价铁(Fe3+)的状态存在，可溶性的二价铁(Fe2+)含量较为匮乏，无法满足土壤微生物繁衍和植物生长发育的需要[31]。一些土壤微生物可以分泌一种专门结合铁的小分子蛋白(siderophores)，可从土壤中收集铁，这种物质被称为铁载体。铁载体是细菌产生的铁螯合分子，用于摄取铁元素的低分子量化合物[32]。常见的产铁载体的PGPR包括芽孢杆菌属(Bacillus Cohn)、涅斯捷连科氏菌(Nesterenkonia)、链霉菌属(streptomyces)、假单胞菌属(Pseudomonas)等[33-37]。研究表明，接种产铁载体的PGPR可以使植物拮抗某些病原微生物，以及提高植物对铅胁迫的抗性[38]。

3.2 PGPR参与植物的生长调节

自1880年查尔斯·罗伯特·达尔文(Charles Robert Darwin)从金丝虉草和燕麦试验中最早发现“生长活性物质”以来，大量研究表明植物整个生命过程受植物内源激素的严格调控。典型的植物内源激素包括生长素(Auxin)、赤 霉 素 (Gibberellins,GA)、细 胞 分 裂 素(Cytokinin,CTK)、脱落酸(Abscisic Acid,ABA)、乙烯(Ethylene,ETH)、油菜素甾醇(Brassinosteroids，BR)和茉莉酸(Jasmonic Acid,JA)等，不同激素间协同拮抗，共同调控植物的生长发育。而植物根际促生菌PGPR可以与植物建立共生关系，其生理活动所产生的代谢物，如IAA、GA等，可以作为外源植物激素参与植物激素内平衡稳态，减轻盐胁迫对植物造成的损伤。

3.2.1 PGPR产生生长素 植物生长素是由具分裂和增大活性的细胞区产生的调控植物生长方向的激素，其本质是吲哚乙酸(IAA)。在一定浓度范围内IAA具有刺激细胞增长的功效，是植物重要的生长调节因子。低水平的IAA(10-12-10-9mol/L)可促进植物初生根生长,而更高浓度的IAA可促进植物次生根和不定根生长。无论初生根、次生根还是不定根的快速生长,都将使植物幼苗的根系吸收系统得到迅速的建立,从而使植物幼苗快速获得定植和同化环境的能力。据报道，土壤中大部分与植物相关的微生物都可以产生IAA，并对植物内源微生物库产生影响，其中放线菌属种类较多[39]。

3.2.2 PGPR产生赤霉素 赤霉素(GAs)是一类广泛存在的植物激素，由四环骨架衍生而得,可促进细胞分裂伸长进而调控株高、刺激叶和芽的生长，参与诸多生理过程。大量研究表明，赤霉素在植物抵抗非生物胁迫中也有着重要的作用。其主要是通过调节GAs的生物合成、信号转导及生物活性，以提高植物对盐胁迫的耐受性[40]。一些PGPR能够通过产生外源赤霉素的方式促进植物体内渗透调节，并使植物细胞保持较高的含水量，从而保证了植物的正常生长和代谢活动[41]。

3.2.3 PGPR调节乙烯水平 高浓度的盐胁迫会促进植物体内乙烯的合成，乙烯广泛存在于植物体内，通常小于1.0 μL/L。低浓度的乙烯可以诱导种子萌发，植物根系生长，植物茎叶的形成。但是随着乙烯浓度的增加，促使植物叶片变黄、器官衰老、叶片和花瓣脱落甚至植物过早死亡[11]。高等植物体内乙烯的合成途径为ACC(1-氨基环丙烷-1-羧酸)，经ACC氧化酶氧化后形成乙烯和氢氰酸。有些植物根际促生菌可以分泌ACC脱氨酶，诸如普罗威登斯菌属(Providencia)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)[42-44]。这种酶可以将乙烯前体氨基环丙烷羧酸(ACC)分解为α-丁酮酸和氨。通过ACC脱氨酶，植物根际促生菌将ACC作为氮源利用，减少乙烯的产生进而促进植物生长[45]。

3.2.4 PGPR产生茉莉酸类物质 茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MeJA)作为与胁迫损伤相关的植物激素和信号分子，广泛地存在于植物体中，外源施用能够激发植物体内防御基因的表达，诱导植物的化学防御，参与调控植物对盐胁迫信号的响应[46]。目前报道产JA的PGPR主要是芽孢杆菌属和无色杆菌属[47-50]。研究表明，与对照相比，盐胁迫下施加MeJA，种子的发芽率、发芽势显著提高，同时抗氧化酶活性提高，叶片损伤程度降低，有效降低盐害造成的损伤[51]。接种产茉莉酸的植物根际促生菌对植物的抗氧化活性和减缓耐盐损伤方面具有积极作用。

3.3 PGPR参与调节植物离子稳态

土壤盐离子含量过高会影响其他元素的吸收，致使植物离子稳态失衡，而外源施加某些元素，如镁、磷等微量元素可以增强植物的光合作用，有效缓解盐害损伤[52]。PGPR可以分泌胞外多糖，不仅能调控外源离子转运，增加植物体内钾离子积累和减少钠离子含量，还可以促进根表面生物膜的形成来提高植物的耐盐抗性[53]。Upadhyay等[54]在高盐胁迫下种芽孢杆菌后，小麦幼苗对Na+、K+和Ca2+的吸收显著增加。Ca2+作为“第二信使”不仅参与植物代谢，还能够起到增强植物抗性、缓解盐害的作用。PGPR为植物提供适宜浓度的外源离子能够增加植物渗透调节物质浓度、提高其抗氧化酶活性，减少对植物膜损伤、从而提高盐胁迫下植物的抗性[51]。

4 展望

盐胁迫会引起植物在基因表达、代谢和生理性状等多方面的特异反应，植物通过调控复杂的信号网络来应对盐胁迫。人们对植物的认识，已经从生理表型的变化到目前对植物盐胁迫诱导信号转导途径的研究，理论的创新是推动植物抗逆机理研究的动力。运用PGPR能够直接或间接的协助植物减轻盐胁迫带来的损伤，已经在多种经济作物的育种中取得验证。相比传统育种技术，将PGPR引入农业生产中，合理施用植物根际促生菌对于解决当下粮食短缺、资源不足诸多问题提供了新思路。

本研究就盐生环境下植物根际促生菌提高植物耐盐性、减轻植物盐胁迫损伤的作用机制进行了简要综述。基于目前关于PGPR的抗逆研究和育种改良策略的研究现状，建议未来对PGPR的研究应从以下几个方面展开：

（1）深入探讨植物与PGPR相互作用机制，发掘PGPR介导植物耐盐的关键基因，进一步为PGPR对植物促生机理的研究提供分子基础。

（2）在已阐明PGPR生物特性基础上，加强对PGPR适应能力及菌株功能的研究，寻找在不同极端定殖环境条件下，促生效果优良的混合菌剂搭配。考虑到不同菌株对定殖环境要求的不同，这本身就有一定的局限性。若能结合基因工程手段，针对不同盐渍化土壤类型、植物需求、作用部位设计出特异性的PGPR菌株，将更有利于提高PGPR的自身价值，为进一步探究植物-盐胁迫-PGPR互作机制提供参考。

综上所述，有效施用PGPR作为一种促进植物生长并增加作物产量的方法，其应用范围已相当广泛。虽然在一些应用中受到技术限制，但在已阐明的理论基础上，基于PGPR的作物改良方略在未来仍有巨大的潜力。